新規電気化学プロセス―ワイヤレス電解剥離法―による二次元材料の創出と構造制御

本研究では，バイポーラ電気化学，アノード酸化，インターカレーション反応を組合せて独自に開発した，“ワイヤレス電解剥離法”にマイクロリアクターの概念を取り入れ，微細なグラファイトを一括で大量に電解処理し，グラフェンを合成しその構造を制御する手法を提案する。将来的にはこの手法を様々な層状化合物に適用し，二次元材料のユニバーサルな合成手法へと展開することを考えている。具体的には，ワイヤレス電解剥離法を基盤として，マイクロ流路内で電気化学反応を制御することで，グラファイト粉末の高効率剥離法を確立する。①バッチ式電解装置，②フロー型電解装置，③直接通電の大きく3つの研究実施項目を設定しており，2年目はそれぞれの項目について以下の成果が得られた。①バッチ式電解装置：ビーカースケールのワイヤレス電解剥離において，剥離物の構造に及ぼす出発原料の結晶性の違いの影響を明らかにするために，膨張黒鉛を成形して得られる膨張黒鉛シート，高分子を高温で加熱することで得られる高配向性グラファイトシート，天然黒鉛粉末について，バッチ式電解装置における基礎検討を進めた。その結果，剥離物の構造は出発物質の構造に強く影響を受けることが明らかになった。②フロー型電解装置：外部電極間距離はワイヤレス試料近傍に生じる電圧・電流を制御可能な重要因子であり，距離が短いほど高い電圧・電流が生じる。そのため，フロー型電解装置において外部電極間距離を段階的に短縮することを検討した。その結果，電極間距離をミリメートルスケールまで短縮した流路を設計できた。③直接通電：多孔質二次元薄膜が得られる炭酸水素アンモニウム電解液を用いて，剥離物の構造に及ぼす電解因子の影響を明らかにした。

本研究では，バイポーラ電気化学，アノード酸化，インターカレーション反応を組合せて独自に開発した，“ワイヤレス電解剥離法”にマイクロリアクターの概念を取り入れ，微細なグラファイトを一括で大量に電解処理し，グラフェンを合成しその構造を制御する手法を提案する。将来的にはこの手法を様々な層状化合物に適用し，二次元材料のユニバーサルな合成手法へと展開することを考えている。具体的には，ワイヤレス電解剥離法を基盤として，マイクロ流路内で電気化学反応を制御することで，グラファイト粉末の高効率剥離法を確立する。①バッチ式電解装置，②フロー型電解装置，③直接通電の大きく3つの研究実施項目を設定しており，2年目はそれぞれの項目について以下の成果が得られた。①バッチ式電解装置：ビーカースケールのワイヤレス電解剥離において，剥離物の構造に及ぼす出発原料の結晶性の違いの影響を明らかにするために，膨張黒鉛を成形して得られる膨張黒鉛シート，高分子を高温で加熱することで得られる高配向性グラファイトシート，天然黒鉛粉末について，バッチ式電解装置における基礎検討を進めた。その結果，剥離物の構造は出発物質の構造に強く影響を受けることが明らかになった。②フロー型電解装置：外部電極間距離はワイヤレス試料近傍に生じる電圧・電流を制御可能な重要因子であり，距離が短いほど高い電圧・電流が生じる。そのため，フロー型電解装置において外部電極間距離を段階的に短縮することを検討した。その結果，電極間距離をミリメートルスケールまで短縮した流路を設計できた。③直接通電：多孔質二次元薄膜が得られる炭酸水素アンモニウム電解液を用いて，剥離物の構造に及ぼす電解因子の影響を明らかにした。